Thiết kế máy phát điện đồng bộ

Thiết kế máy phát điện đồng bộ

Báo cáo thực tập tốt nghiệp Tự động điều khiển Sinh viên thực hiện Nguyễn Tuấn Ngọc Lớp CĐ ĐT4 - K1 1 Đồ án được thực hiện gồm các phần sau: Phần I: Giới thiệu chung về máy điện đồng bộ. Phần II: Các sơ đồ kích từ của máy phát đồng bộ. Phần III: Tính toán thiết kế một số phương án Hà Nội, ngày 25 tháng 08 năm 2002 Sinh viên thực hiện Nguyễn Tuấn Ngọc Báo cáo thực tập tốt nghiệp Tự động điều khiển Sinh viên thực hiện Nguyễn Tuấn Ngọc Lớp CĐ ĐT4 - K1 2 CHƯƠNG I GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ 1.1. Nguyên lý làm việc của máy điện đồng bộ Máy điện đồng bộ là thiết bị điện quan trọng được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. Phạm vi sử dụng chính là làm máy phát điện, nghĩa là biến đổi cơ năng thành điện năng. Điện năng chủ yếu dùng trong nền kinh tế quốc dân và đời sống được sản xuất từ các máy phát điện quay bằng tuabin hơi, tuabin khí hoặc tuabin nước. Hai loại thường gặp nhất là máy phát nhiệt điện và máy phát thuỷ điện 3 pha. Máy điện đồng bộ còn được dùng làm động cơ đặc biệt trong các thiết bị lớn, vì khác với động cơ không đồng bộ là chúng có thể phát ra công suất phản kháng. Thông thường các máy đồng bộ được tính toán, thi ết kế sao cho chúng có thể phát ra công suất phản kháng gần bằng công suất tác dụng. Trong một số trường hợp, việc đặt các máy đồng bộ ở gần các trung tâm công nghiệp lớn là chỉ để phát ra công suất phản kháng. Với mục đích chính là bù hệ số công suất cosϕ cho lưới điện được gọi là máy bù đồng bộ. Ngoài ra các động cơ đồng bộ công suất nhỏ (đặc biệt là các động c ơ kích từ bằng nam châm vĩnh cửu) cũng được dùng rộng rãi trong các trang bị tự động và điều khiển. 1.2. Phân loại và kết cấu của máy điện đồng bộ. 1. Phân loại: Báo cáo thực tập tốt nghiệp Tự động điều khiển Sinh viên thực hiện Nguyễn Tuấn Ngọc Lớp CĐ ĐT4 - K1 3 Theo kết cấu có thể chia máy điện đồng bộ thành 2 loại: Máy đồng bộ cực ẩn thích hợp với tốc độ quay cao (số cực 2P = 2), và máy điện đồng bộ cực lồi thích hợp với tốc độ quay thấp (2P ≥ 4) Theo chức năng có thể chia máy điện đồng bộ thành các loại chủ yếu sau: a. Máy phát điện đồng bộ - Máy phát điện đồng bộ thường được kéo bởi tuabin hơi hoặc tuabin nước và được gọi là máy phát tuabin hơi hay máy phát tuabin nước. Máy phát tuabin hơi có tốc độ quay cao, do đó được chế tạo theo kiểu cực ẩn và trục máy được đặt nằm ngang nhằm đảm bảo độ bền cơ cho máy. Máy phát điện tuabin nước có tốc độ quay thấp nên có kết cấu theo kiểu cực lồi, nói chung trục máy thường đặt th ẳng đứng. Bởi vì để giảm được kích thướt của máy nó còn phụ thuộc vào chiều cao cột nước. Trong trường hợp máy phát có công suất nhỏ và cần di động thường dùng động cơ điezen làm động cơ sơ cấp và được gọi là máy phát điện điezen, loại này thường được chế tạo theo kiểu cực lồi. b. Động cơ điện đồng bộ: Động cơ điện đồng bộ thường được chế tạo theo kiểu cực lồi và được sử dụng để kéo các tải không đòi hỏi phải thay đổi tốc độ, với công suất chủ yếu từ 200KW trở lên. Hình 1.1: Rôto cực lồi Hình 1.2: Rôto cực ẩn Báo cáo thực tập tốt nghiệp Tự động điều khiển Sinh viên thực hiện Nguyễn Tuấn Ngọc Lớp CĐ ĐT4 - K1 4 c. Máy bù đồng bộ: Máy bù đồng bộ thường được dùng để cải thiện hệ số công suất cosϕ của lưới điện. Ngoài các loại trên còn có các loại máy điện đặc biệt như: Máy biến đổi một phần ứng, máy đồng bộ tần số cao . và máy điện công suất nhỏ dùng trong tự động, như động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu, đồng cơ đồng bộ phản kháng, động cơ đồng bộ từ trễ, động cơ bước . 2. Kết cấu: Để thấy rõ đặc điểm về kết cấu của máy điện đồng bộ, ta xét 2 trường hợp máy cực ẩn và máy cực lồi như sau: a. Kết cấu của máy đồng bộ cực ẩn: Roto của máy đồng bộ cực ẩn làm bằng thép hợp kim ch ất lượng cao, được rèn thành khối hình trụ, sau đó gia công và phay rãnh để đặt dây quấn kích từ. Phần không phay rãnh còn lại hình thành nên mặt cực từ. Mặt cực ngang trục lõi thép roto như hình 1.3. Thông thường các máy đồng bộ được chế tạo với số cực 2P = 2, tốc độ quay n = 3000(vòng/phút). Để hạn chế lực ly tâm, trong phạm vi an toàn đối với hợp kim, người ta chế tạo roto có đường kính nhỏ: (D = 1,1 ÷ 1,15 (m)). Vì vậy mu ốn tăng công suất máy chỉ có thể tăng chiều dài l của roto (l max = 6,5m). Hình 1.3: Mặt cắt ngang trục lõi thép rôto Báo cáo thực tập tốt nghiệp Tự động điều khiển Sinh viên thực hiện Nguyễn Tuấn Ngọc Lớp CĐ ĐT4 - K1 5 Dây quấn kích từ được đặt trong rãnh roto và được quấn thành các bối dây, các vòng dây trong bối dây được cách điện với nhau bằng một lớp mica mỏng. Miệng rãnh được nêm kín để cố định và ép chặt các bối dây. Dòng điện kích từ là dòng một chiều được đưa vào cuộn kích từ thông qua chổi than đặt trên trục roto. Stato của máy đồng bộ cực ẩn bao gồm lõi thép được ghép lại từ các lá thép kỹ thuật đ iện, trong đó có tạo rãnh để đặt dây quấn 3 pha. Stato được gắn liền với thân máy, dọc chiều dài lõi thép stato có làm những rãnh thông gió ngang trục với mục đích thông gió là mát máy điện. Trong các máy đồng bộ công suất trung bình và lớn thân máy được chế tạo theo kết cấu khung thép, máy phải có hệ thống làm mát. Nắp máy được chế tạo từ thép tấm hoặc gang đúc. b. Kết cấu của máy đồng bộ cực lồi: Máy đồng b ộ cực lồi thường có tốc độ quay thấp vì vậy đường kính roto lớn hơn nhiều lần so với roto cực ẩn: (D max = 15m), trong khi đó chiều dài lại nhỏ, với tỷ lệ l/D = 0,15 ÷ 0,2. Roto của máy đồng bộ cực lồi công suất trung bình và nhỏ có lõi thép được chế tạo từ thép đúc và gia công thành khối lăng trụ, trên mặt có đặt các cực từ. Ở những máy lớn. Lõi thép đó được hình thành bởi các tấm thép dày từ 1mm đến 6mm, được dập hoặc đúc định hình sẵn để ghép thành các khối lăng trụ, và lõi thép này thường không trự c tiếp lồng vào trục máy mà được đặt trên giá đỡ của roto. Dây quấn cản (trường hợp máy phát đồng bộ) hoặc đây quấn mở máy (trường hợp động cơ đồng bộ) được đặt trên các đầu cực. Các dây quấn này giống như dây quấn kiểu lồng sóc của máy điện không đồng bộ, nghĩa là làm bằng các thanh đồng đặt vào rãnh các đầu cực và được nối 2 đầu bở i 2 vòng ngắn mạch. Báo cáo thực tập tốt nghiệp Tự động điều khiển Sinh viên thực hiện Nguyễn Tuấn Ngọc Lớp CĐ ĐT4 - K1 6 1. Lá thép cực từ 2. Dây quấn kích từ 3. Đuôi hình T 4. Nêm 5. Lõi thép roto. Stato của máy đồng bộ cực lồi có thể đặt nằm ngang với máy có công suất nhỏ, tốc độ quay cao. Ở trường hợp máy phát tuabin nước công suất lớn, tốc độ chậm thì trục của máy phải đặt thẳng đứng theo 2 kiểu treo và kiểu đõ tuỳ thuộc vào cách bố trí ổ trục đỡ. + Ưu điểm của kiểu treo là ổn định, ít chịu ảnh hưởng tác động của các phần phụ, nhưng chi phí xây dựng cao, còn kiểu đỡ là giảm được kích thước máy theo chiều cao. Do đó giảm được kích thước chung của máy. Như vậy tuỳ theo yêu cầu mà ta phải có cách bố trí sao cho hợp lý nhất. 1.3. Các thông số chủ yếu của máy phát điện đồng bộ Trong máy phát điện đồng bộ ngoài các thông số nh ư: Công suất, điện áp, dòng điện định mức . còn phải kể đến các thông số cơ bản khác của máy phát điện đồng bộ là: điện trở, điện kháng của cuộn dây, các hằng số quán tính điện và cơ. 1. Điện kháng đồng bộ dọc trục và ngang trục (Xd,Xq) Báo cáo thực tập tốt nghiệp Tự động điều khiển Sinh viên thực hiện Nguyễn Tuấn Ngọc Lớp CĐ ĐT4 - K1 7 Điện kháng đồng bộ dọc trục và ngang trục là một trong những thông số đặc trưng của máy phát điện ở chế độ xác lập. Ở máy phát điện cực lồi vì ở mặt cực, từ thông khe hở không khí là không đều, nên mạch từ không bão hòa. Do đó điện kháng dọc trục và ngang trục là khác nhau(Xd ≠ Xq). Còn ở máy phát cực ẩn thì khe hở không khí là đều nhau, mạch từ bão hòa nên: Xd = Xq. 2. Đ iện kháng quá độ X'd Đặc trưng cho cuộn cảm của cuộn dây ở chế độ xác lập. Ở chế độ này từ thông sinh ra bởi cuộn dây stato đi qua cuộn dây roto bị giảm do phản ứng hỗ cảm của cuộn dây này. Điện trở mạch kín của cuộn dây roto thường nhỏ nên phần ứng hỗ cảm triệt tiêu hoàn toàn từ thông bên trong nó. Vì thế có thể coi điện cảm của nó khi m ạnh khép kín ra bên ngoài cuộn dây roto là rất nhỏ và không phụ thuộc vào dạng cực từ. 3. Điện kháng siêu quá độ: Điện kháng này đặc trưng cho điện cảm của cuộn dây stato ở giai đoạn đầu của chế độ quá độ . ở giai đoạn đầu của chế độ này bị ảnh hưởng của cuộn dây cản, làm giảm đi từ thông cuộn dây stato. Do đó X"d < X'd. Do dòng đi ện xuất hiện trong cuộn dây cản là tức thời cho nên điện kháng X"d chỉ tồn tại trong giai đoạn đầu của chế độ quá độ. 4. Hằng số quán tính cơ Tj: Đặc trưng cho mômen quán tính phần quay, hằng số này được tính toán tùy thuộc vào từng loại máy phát. Tj = J = ω 2 đm .J JđmSđm Trong đó: Báo cáo thực tập tốt nghiệp Tự động điều khiển Sinh viên thực hiện Nguyễn Tuấn Ngọc Lớp CĐ ĐT4 - K1 8 ω đm = J = Với: G - Khối lượng vật quay D - đường kính vật quay 1.4. Đồ thị vectơ và các đặt tính của máy phát điện 1. Phương trình điện áp và đồ thị vectơ của máy phát điện đồng bộ. Đối với máy phát đồng bộ: = δ - (r ư + jX δư ). (1 - 1) Đối với động cơ điện đồng bộ = δ + (r ư + jX δư ). (1 - 2) Trong đó: U: Điện áp đầu cực máy phát R ư , X δu' : Điện trở và điện kháng tản của dây quấn phần ứng. E δ : Sức điện động cảm ứng trong dây quấn do từ trường khe hở không khí. Khi có tải thì suất điện động cảm ứng này được chia làm 2 thành phần: δ = + ư a. Ta xét trường hợp máy phát điện Trong trường hợp này ta xét cho 2 loại máy cực ẩn và máy cực lồi. Giả sử máy phát làm việc ở tải điện cảm có: 0 < ϕ < 90 0 Phương trình cân bằng điện áp cho máy cực ẩn = + ư - (r ư + jX ư ) (1 - 3) 60 n.2π 60 GD 2 . U . E . I . U . E . I . E . E . E . U . E . E . I Báo cáo thực tập tốt nghiệp Tự động điều khiển Sinh viên thực hiện Nguyễn Tuấn Ngọc Lớp CĐ ĐT4 - K1 9 ư : Sức điện động phần ứng được biểu thị theo điện kháng phần ứng: ư = j X ư Vậy phương trình 1 - 3 trở thành: = - j (X ư + jX σư )- r ư (1 - 4) Ta biểu diễn phương trình 1 - 4 bằng đồ thị vectơ Trên đồ thị thì: Từ thông chính Φ 0 (F 0 ) vượt trước E một góc π /2 và Φ ư (F ư ) chậm sau ư = j IX ư một góc π /2. Phương trình cân bằng điện áp cho máy cực lồi. = - j d X ưd - j q X ưq - j X σư - r ư (1 - 5) Vì trong máy cực lồi thành phần sức từ động được chia thành 2 thành phần dọc trục và ngang trục. ưd = -j d X ưd ưq = -j q X ưq Và thành phần -j X δư ta cũng phân tích thành 2 thành phần dọc trục và ngang trục. Hình 1.5: Đồ thị sđđ của máy phát đồng bộ cực ẩn F o E jIXδ I F ư ϕ θ δ Ir f δ θ U ư ư ư jIX θ ' . E . E . I . U . E . I . I . E . U . E . I . I . I . I . E . I . E . I . I Báo cáo thực tập tốt nghiệp Tự động điều khiển Sinh viên thực hiện Nguyễn Tuấn Ngọc Lớp CĐ ĐT4 - K1 10 -j X δư = -j q X δư - (-j d X δư ) Lúc này phương trình (1 - 5) trở thành: = -j d X d -j q X q - r ư (1 - 6) Với: X d = X ưd + X δư X q = X ưq + X δư X d : điện kháng đồng bộ dọc trục. X q : điện kháng đồng bộ ngang trục. Biểu diễn phương trình (1 - 6) trên đồ thị vectơ. + Trường hợp mạch từ bão hoà: Đối với máy phát đồng bộ cực lồi việc thành lập đồ thị vectơ có xét đến trạng thái bão hoà mạch từ có gặp nhiều khó khăn. Vì lúc đó từ thông Φ d và Φ q có liên quan với nhau và trạng thái bão hoà theo hai phương đó là khác nhau. Như vậy X ưd không những phụ thuộc vào Φ d mà còn phụ thuộc vào Φ q , và X ưd cũng tương tự. Để đơn giản, ta cho rằng từ thông dọc trục và ngang trục chỉ ảnh hưởng theo hướng trục và giả sử rằng mức độ bão hoà theo hướng ngang trục là đã biết (K μq đã biết). Từ phương trình cân bằng điện áp: Hình 1.6: Đồ thị sđđ đã biến đổi của máy điện cực lồi E ư Ir U I I I θ ϕ ψ ψ d q X d jI d jI q q X jI q X . I . I . I . U . E . I . I . I [...]... bộ TĐK, bộ này lấy tín hiệu từ đầu ra của máy phát để làm thay đổi dòng, áp kích từ của máy phát + Ưu điểm: hệ thống kích từ đơn giản, điều khiển rất nhanh, làm việc tin cậy nên được áp dụng rộng rãi trong các máy có công suất lớn 2.3 Một số sơ đồ kích từ của máy phát đồng bộ tự kích Tương tự như máy phát một chiều, máy phát đồng bộ cũng có thể tự kích Trường hợp này cuộn dây kích từ của máy đồng bộ. .. kích thích của máy Đường Bn là giới hạn làm việc ổn định khi máy phát ở chế độ thiếu kích thích 1.5 Chế độ thuận nghịch của máy điện, 3 chế độ làm việc của máy điện đồng bộ 3 pha 1 Chế độ máy phát: Chế độ máy phát là quá trình biến đổi cơ năng thành điện năng, hay nói cách khác là máy điện làm việc ở trường hợp P > 0 và Q > 0 Tức là máy phát ra công suất tác dụng cấp cho tải thuần trở, và phát ra công... không thay đổi thì máy phát làm việc ở chế độ kích từ cưỡng bức (quá kích thích) để phát ra công suất phản kháng cho lưới Khi máy phát bị non tải thì dòng giảm, điện áp tăng và lớn hơn sức điện động do phần ứng sinh ra Lúc này để cho điện áp không đổi thì máy phát phải làm việc ở chế độ thiếu kích thích để tiêu thụ bớt một phần điện áp rơi ở đầu cực máy phát Ở máy phát điện công suất điện từ được chuyển... thống này dùng 2 máy phát điện một chiều một máy kích từ phụ và một máy kích từ chính Máy phát kích từ phụ tự kích song song, dòng kích từ trong cuộn WKT có thể điều chỉnh được nhờ biến trở RKTf và RKT Dòng và áp trong cuộn WF của máy phát thay đổi nhờ bộ TĐK thay đổi dòng và áp đặt lên cuộn WKTf, bộ này nhận tín hiệu từ đầu ra của máy phát thông qua bộ đo lường dùng bộ biến dòng BI và điện áp BU Khi... cân bằng điện áp: E 0 = U + R I + jXd I (1 - 11) Sức điện động ở rôto lớn hơn điện áp ở đầu cực máy phát Do đó máy phát ra công suất P > 0 và Q > 0 cho lưới: Khi rôto quay sinh ra E0, nên E0 cũng quay Vậy chế độ máy phát thì E0 vượt trước U Khả năng tải của máy phát khi làm việc ở chế độ quá tải, dòng điện tăng, điện áp giảm Lúc này máy phát làm việc ở trạng thái quá tải, mà muốn cho điện áp không... cuộn dây kích thích của máy phát điện đồng bộ Nó phải có khả năng điều chỉnh bằng tay hoặc tự đồng điều chỉnh dòng kích thích để đảm bảo máy phát làm việc ổn định kinh tế, với chất lượng điện năng cao trong mọi tình huống Trong chế độ làm việc bình thường, điều chỉnh dòng kích từ sẽ điều chỉnh được điện áp ở đầu cực máy phát, thay đổi lượng công suất phản kháng phát vào lưới điện Thiết bị tự động điều... vào lưới điện Động cơ đồng bộ khác với máy phát đồng bộ là khi thiếu kích thích động cơ tiêu thụ công suất phản kháng của lưới điện (ϕ > 0) và khi quá kích thích động cơ phát ra công suất phản kháng đưa vào lưới (ϕ < 0) Vì vậy trong một số trường hợp người ta sử dụng chế độ quá kích thích của động cơ để làm máy bù 3 Chế độ máy bù động cơ Máy bù đồng bộ thực chất là một động cơ đồng bộ làm việc ở chế độ... mà nguồn cung cấp của nó có thể lấy từ một máy phát xoay chiều tần số cao hoặc từ một nguồn cụ thể khác Bộ TĐK tác động trực tiếp vào bộ chỉnh lưu có điều khiển TĐK nhận tín hiệu ở đầu cực máy phát qua bộ BI và BU làm thay đổi dòng kích từ của máy phát kích dẫn đến làm thay đổi dòng điện kích từ của máy phát chính + Ưu điểm: Máy phát kích từ có công suất lớn, điện áp kích từ giới hạn lớn, hằng số thời... được điều chỉnh để máy phát ra hoặc tiêu thụ công suất phản kháng do đó duy trì được điện áp của lưới điện Chế độ làm việc bình thường của máy bù đồng bộ là chế độ quá kích thích của động cơ đồng bộ để phát ra công suất phản kháng bù vào lưới điện Ở trường hợp này máy bù như một tụ bù hay còn gọi là máy phát công suất phản kháng Trường hợp hộ tiêu thụ tăng tải thì dòng tăng, áp giảm thì máy bù làm việc... nhóm chính: - Hệ thống kích từ dùng máy phát điện một chiều - Hệ thống kích từ dùng máy phát điện xoay chiều và chỉnh lưu - Hệ thống kích từ dùng chỉnh lưu có điều khiển 1 Hệ thống kích từ dùng máy phát điện một chiều f TĐK Rđc Hình 2.1: Sơ đồ kích từ dùng máy phát điện một chiều Để điều chỉnh dòng kích từ it ta điều chỉnh bằng tay điện trở Rđc nhằm làm thay đổi dòng điện trong cuộn dây kích từ chính